我校青年教師在材料學頂級雜志接連發表高水平論文

近日，我校電子信息與人工智能學院青年教師孫梓雄博士與輕工科學與工程學院（柔性電子學院）青年教師韓慶鑫博士分別于4月11日與12日在材料領域頂級雜志Materials Horizons發最新研究成果，兩篇論文的詳細報道如下：

(a) P-E loops of BCZT-xBZT ceramics with corresponding energy storage performances; (b) Comparison of the W_rec and W/E ratio between BCZT-xBZT with x=0.15 and 0.17 in our work and some typical BZT-based ceramics

孫梓雄博士一直從事電介質功能材料與器件的研究工作。作為電介質電容器的常用材料體系，BaTiO₃-BiMeO₃（BT-BiMeO₃）憑借其優異的能量存儲特性在近年來受到廣泛研究。在該體系中，Bi與Me一般分別進入BT的A位與B位形成固溶體并同時發生鐵電-弛豫鐵電相變（FE-to-RFE phase transition），其中Me為三價離子或等效三價離子。當下對該體系的研究大多集中于對BiMeO₃的調控與優化，而對BT的改性少有報道（詳見孫梓雄博士的前期綜述論文https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201900698 ）。作為BT的一種常見固溶體，Ba_1-xCa_xTi_1-yZr_yO₃ (BCZT) 憑借其成分與結構的高度可調性在氧化物功能材料領域始終占據著一席之地，其中Ca與Zr分別可以30%摩爾分數與任意比例的固溶極限進入BT的A位與B位并帶來局域性的成分起伏、降低電疇翻轉勢壘、利好能量存儲能力的提升。基于此，該研究以(1-x)Ba_0.15Ca_0.85Zr_0.1Ti_0.9O₃-xBi(Zn_2/3Ta_1/3)O₃(BCZT-xBZT)為研究對象，采用傳統固相法成功制備出上述體系陶瓷。經測試與表征，發現當x=0.15時該體系擁有最高的儲能密度（W_rec），且儲能密度擊穿場強比（用來表征單位場強下陶瓷所激發出的儲能密度，即W/E）最大。不但表現出了優異的能量存儲行為，而且在該過程中保證了極低的能量消耗，如圖1。這一優異的性能主要歸因于該組分極化強度的雙重提升，即界面極化與偶極子極化。前者來源于p4mm與pm3m兩相界面處的晶格畸變；后者來源于BZT在固溶過程中產生的缺陷偶極子。上述工作以“Polarization double-enhancement strategy to achieve super low energy consumption with ultra-high energy storage capacity in BCZT-based relaxor ferroelectrics”為題已在線發表。全文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d4mh00322e 。本工作受到國家自然基金青年項目、微納電子材料與器件湖北省重點實驗室開放課題、輕化工助劑與化學教育部重點實驗室開放課題的資助。合作單位包括陜西師范大學、西安交通大學、湖北大學、武漢紡織大學與荷蘭特文特大學（University of Twente）。

CN/Cr₂O₃/Ru-X電催化劑的制備原理示意圖及其在堿性（pH = 14）中的HER性能

韓慶鑫副教授為生物質與功能材料研究所（王學川教授科研團隊）成員，長期從事生物質資源化利用及功能材料的研究。固體廢棄物的處理也是構建廢棄物循環利用體系是實施全面節約戰略、保障國家資源安全、積極穩妥推進碳達峰碳中和、加快發展方式綠色轉型的重要舉措。制革廢棄物高價值回收已成為皮革行業的關鍵關注點，尤其是處理鞣革后產生的鉻革屑，是迫切需要解決的問題。如果能利用含鉻革屑制備含鉻電催化劑，將其中的鉻轉化為具有高附加值的產物，既可消除皮革廢棄物對環境的污染又符合循環經濟和可持續發展的要求。基于此，韓慶鑫等人利用鉻革屑膠原纖維表面官能團在熱解過程中固定Ru原子，成功制備了一種具有廣泛pH適用范圍的析氫反應（HER）電催化劑。由于含鉻革屑表面存在大量的氨基，釕離子（Ru³⁺）可以通過形成CL-NH₂-Ru絡合物吸附在含鉻革屑的表面，這使其在高溫煅燒的過程會盡可能避免形成Ru納米顆粒，而且含鉻革屑當中的鉻元素也可以起到提升HER性能的作用。優化后的樣品CN/Cr₂O₃/Ru-1表現出優異的電催化性能，在1.0 M KOH中，電流密度為10 mA cm ^-2時的過電位僅為-28 mV，在酸性和中性電解液中也表現出良好的電催化性能，超過了已報道的大多數以Ru為催化中心的催化劑。密度泛函理論（DFT）計算表明，Cr₂O₃中的氧（O）和鉻（Cr）能與釕（Ru）原子的配位模式發生有利的相互作用，從而闡明了CN/Cr₂O₃/Ru中Cr對催化中心Ru的協同增強作用。該研究工作既為含鉻制革廢棄物提供了綠色處理方案，又為開發高性能、低成本電催化劑開辟了新途徑，展現了環保與新能源材料研發的雙重潛力。上述工作以“Atomic-scale Ru anchored on chromium-shavings as a precursor for a pH-universal hydrogen evolution reaction electrocatalyst”為題已在線發表，全文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01951a 。該工作得到了國家自然科學基金項目（21908140），陜西省教育廳科學研究計劃（22JP006），輕化工助劑化學與技術教育部重點實驗室和陜西省輕化工助劑化學與技術協同創新中心開放基金（KFKT2021-15）的資助。

新聞小貼士：

Materials Horizons是英國皇家化學協會（Royal Society of Chemistry）旗下材料領域的領導性期刊，發表高質量、高創新性的研究成果。更加側重于原創性研究，強調所發表論文要提出新的概念或思維方式。該雜志每年發稿量僅為300篇左右，最新影響因子（Impact Factor）為13.3。上述優秀科研成果的成功發表進一步表明我校在相關領域已處于世界先進水平，同樣標志著我校近年來在人才引進工作取得了持續性的優異重要成績。

（核稿：雷濤 編輯：劉倩）